Synthesis of transition metal-based nanostructures with unsaturated coordination sites and exploration of catalytic functions

具有不饱和配位位点的过渡金属纳米结构的合成及催化功能探索

• 批准号: 22K18956
• 负责人: 馬 仁志
• 金额: $ 4.08万
• 依托单位: National Institute for Materials Science
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-06-30 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K18956/
• 关键词: ナノシート; 遷移金属; 水酸化物; 電極触媒; 配位不飽和; ナノ構造

鉄系層状複水酸化物（LDH）、すなわちGreen Rustのトポケミカル合成を行った。まず、雰囲気保護下で均一沈澱法により高結晶性ブルーサイト型Fe(OH)2を得た。ヨウ素を酸化剤としてFe(OH)2中の一部のFe2+を酸化させることによって、ヨウ素イオンがインターカレートするFe2+－Fe3+ LDHを変換させることに成功した。層間のヨウ素イオンをドデシル硫酸イオンに交換した後、ホルムアミドの中で剥離することで厚さ約0.8 nmの単層Fe2+-Fe3+ LDHナノシートを創製した。同じ均一沈澱プロセスの中で、Fe(OH)2にNiのドーピングを試み、Feに対してNiの含有量は最大25%までブルーサイト構造が保持されることが分かった。トポケミカル変換によりNi含有Fe系（Fe2+-(Ni2+)-Fe3+）LDHナノシートを調製した。得られた一連のNi含有Fe系LDHナノシートの酸素発生反応（OER）触媒性能を評価したところ、Ni含有量は約15%の時、1M KOH水溶液の中で290 mV@10mA cm-2という小さな過電圧を達成した。これは、報告された最も触媒活性高いNi2+-Fe3+ LDH触媒と同等な高性能である。また、6配位（Oh）と4配位（Td）共存するCo2+-Ni2+-Fe2+水酸化物ナノコーンの合成に試みた。ヨウ素酸化により原子価2価と3価が混在するCo2+-Ni2+-Fe3+ LDHナノコーンに変換させることにより、OER触媒性能が大幅に増強されることが分かった。中心金属イオンの酸化状態と配位環境の高度制御は高性能ナノ触媒の開発にとって重要な戦略の一つとして確立されつつある。

我们进行了铁基层状双氢氧化物（LDH）的拓扑化学合成，即绿锈。首先，在保护气氛下通过均匀沉淀获得高度结晶的水镁石型Fe(OH)2。通过使用碘作为氧化剂氧化Fe(OH)2中的部分Fe2+，我们成功地将插入有碘离子的Fe2+-Fe3+ LDH转化为Fe2+-Fe3+ LDH。将层间碘离子与十二烷基硫酸根离子交换后，我们通过在甲酰胺中剥离制备了厚度约为0.8 nm的单层Fe2+-Fe3+ LDH纳米片。在相同的均匀沉淀过程中，我们尝试用 Ni 掺杂 Fe(OH)2，发现水镁石结构保持在最高 Ni 含量为 Fe 的 25% 的范围内。采用拓扑化学转化法制备了含镍铁基(Fe2+-(Ni2+)-Fe3+)LDH纳米片。对所得系列含Ni铁基LDH纳米片的析氧反应（OER）催化性能进行了评价，发现当Ni含量约为15%时，出现了290 mV@10 mA cm-的小值。 2在1M KOH水溶液中获得过电压。这是与 Ni2+-Fe3+ LDH 催化剂相当的高性能，后者具有已报道的最高催化活性。我们还尝试合成了六配位（Oh）和四配位（Td）共存的Co2+-Ni2+-Fe2+氢氧化物纳米锥。研究发现，通过碘氧化将其转化为二价和三价混合物的Co2+-Ni2+-Fe3+ LDH纳米锥，OER催化剂的性能显着增强。中心金属离子氧化态和配位环境的高级控制正在成为开发高性能纳米催化剂的重要策略之一。

项目成果

Transition metal hydroxide nanosheets and heterostructures for efficient electrocatalysis

用于高效电催化的过渡金属氢氧化物纳米片和异质结构

• 发表时间: 2022
• 作者: ISHII;Satoshi;Renzhi Ma
• 通讯作者: Renzhi Ma

Superlattice-Like Co-Doped Mn Oxide and NiFe Hydroxide Nanosheets toward an Energetic Oxygen Evolution Reaction

超晶格共掺杂氧化锰和氢氧化镍铁纳米片用于高能析氧反应

• DOI: 10.1021/acssuschemeng.2c00773
• 发表时间: 2022-04
• 期刊: ACS Sustainable Chemistry & Engineering
• 影响因子: 8.4
• 作者: Ying Zhang;Xia Long;Xiaohe Liu;Gen Chen;Junhua Hu;Mimi Li;Renzhi Ma;Hao Wan
• 通讯作者: Hao Wan

Monolayer Iron and Iron-Rich Hydroxide Nanosheets Exfoliated from High-Quality Green Rust for Enhanced Electrocatalytic Oxygen Evolution Reaction

• DOI: 10.1021/acs.chemmater.2c03639
• 发表时间: 2023-02
• 期刊: Chemistry of Materials
• 影响因子: 8.6
• 作者: Lulu Jia;Fang Xian;Y. Sugahara;Nobuyuki Sakai;Emmanuel Picheau;Hairong Xue;Y. Yamauchi;T. Sasaki;R. Ma

Transition-metal hydroxide nanosheets with peculiar double-layer structures as efficient electrocatalysts

• DOI: 10.1016/j.checat.2022.02.015
• 发表时间: 2022-04-21
• 期刊: CHEM CATALYSIS
• 作者: Chen, Fashen;Zhou, Wei;Ma, Renzhi
• 通讯作者: Ma, Renzhi

Boosting electrocatalytic water oxidation of NiFe layered double hydroxide via the synergy of 3d-4f electron interaction and citrate intercalation

通过3d-4f电子相互作用和柠檬酸盐插层的协同作用促进NiFe层状双氢氧化物的电催化水氧化

• DOI: 10.1039/d2ta06801j
• 发表时间: 2022-12-13
• 期刊: JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY A
• 影响因子: 11.9
• 作者: Chen, Shuo;Zheng, Zhicheng;Ma, Renzhi
• 通讯作者: Ma, Renzhi